Расчет фильеры для формования нитей

Червяк с фильерной головкой.cdw

Расчет фильеры для формования нитей.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
«Санкт-Петербургский государственный университет
промышленных технологий и дизайна»
Кафедра машиноведения
по дисциплине «Компьютерный инжиниринг машин для производства химических волокон»
Формование нитей из расплавов полимеров4
1 Общие принципы формования нитей из расплавов полимера4
2. Фильерные комплекты6
3. Конструкции и типы фильер7
Определение основных параметров круглой фильерной пластины17
1. Исходные данные17
2. Определение конструктивных размеров круглой фильеры17
3. Программа для определения конструктивных размеров
круглой фильеры в MATLAB19
Список использованной литературы22
Описать виды и конструкции фильер и фильерных головок для формования из расплавов полимеров.
Определить основные параметры круглой фильерной пластины для производства капроновой нити состоящей из 18 элементарных нитей; диаметр одного капилляра – 035 мм; давление расплава – 45 МПа. Материал фильеры – сталь 1X21Н5Т ( МПа; ; МПа). Cоставить программу для расчета в MATLAB. Выполнить чертеж фильеры в КОМПАС-3D.
Формование нитей из расплавов полимеров
1 Общие принципы формования нитей из расплавов полимера
Формование нитей из расплавов возможно только из полимеров плавящихся без разложения. Этот способ применяют при производстве полиамидных полиэфирных полиолефиновых нитей и др. Формование из расплава имеет следующие преимущества по сравнению с формованием растворов:
) исключение из технологического процесса растворения и обезвоздушивания прядильного раствора;
) исключение регенерации раствора осадительной ванны или растворителя;
) высокая скорость формования (500-1200 ммин) превышающая в 5-10 раз скорость при мокром формовании и в 15-2 раза при сухом формовании.
Однако формование из расплава сложнее так как происходит при высоких температурах (250-320 С) с точностью регулировки 1С а во избежание окисления и деструкции полимера его необходимо плавить в потоке инертного газа очищенного от кислорода.
При формовании из расплава используют два основных процесса:
- полунепрерывный (гранулятный) когда гранулированный полимер расплавляют в шнековом экструдере;
- прямой когда расплав полимера полученный в процессе синтеза после фильтрации непрерывно подается на формование.
Машины для формования из расплава в общем случае имеют устройства распределения и дозирования расплава устройства образования струек расплава шахты для их охлаждения устройства для нанесения препарации механизмы транспортирования и приема нитей или жгутов. Скорость формования составляет 600-1200 ммин. Вытягивание термообработку кручение трощение текстурирование снование нитей при необходимости производят на отдельных машинах и аппаратах.
Использование совмещенного процесса формования - вытягивания позволяет повысить скорость формования до 3000-4500 ммин. В основном этот процесс применяется при получении полиэфирных полиамидных полипропиленовых нитей.
Процесс формования со скоростью 4500-6000 ммин (высокоскоростное формование) в основном реализован для текстильных полиэфирных нитей.
Аэродинамическое формование широко используется для формования нетканых полотен из расплавов полиолефинов полиамидов и полиэфиров. Струи расплава вытекающие из отверстий фильеры растягиваются высокоскоростной струей воздуха охлаждаются. Образовавшиеся нити раскладываются на сетчатом транспортере в виде нетканого полотна которое затем подвергается иглопрокалыванию и при необходимости термоскреплению (каландрованию).
При центробежном формовании капли расплава срываясь с вращающегося ротора растягиваются в виде волокон с одновременным охлаждением их воздухом.
На рисунке 1 показана схема формования капроновой нити полимер в гранулах поступает на плавильную релетку 2 где плавится и стекает вниз.
Рисунок 1 – Принципиальная схема формования нитей:
– емкость с гранулами полимера 2 – плавильная релетка 3 – угнетающий насос 4 – фильера 5 – струйки расплава 6 – обдувочная шахта 7 – шахта охлаждения инертным газом 8 9 – диски для вытягивания 10 – бобина 11 – диски для замасливания 12 – дозирующий насос
Далее расплав подается угнетающим насосом 3 и дозирующим насосом 12 через фильерный комплект где вначале фильтруется через слой кварцевого песка и металлические сетки а затем продавливается через отверстия фильеры 4. Вытекающие струйки 5 расплава проходят обдувочную шахту 6 и шахту 7 где охлаждаются потоком инертного газа или воздуха и затвердевают. Нити проходят диски 11 для замасливания диски 8 и 9 для вытягивания и наматываются на бобину 10.
2. Фильерные комплекты
Фильерный комплект включающий фильеру является одним из основных элементов узла формования. Он входит в состав оборудования для формования химических волокон и нитей независимо от вида перерабатываемого полимера и способа формования.
Фильерные комплекты (ФК) предназначены для закрепления фильеры в рабочем положении для равномерного распределения потока расплава подаваемого дозирующим насосом по всему сечению фильеры для гомогенизации и окончательной фильтрации расплава от посторонних примесей перед формованием. Поскольку фильерный комплект состоит из нескольких компонентов то для предотвращения перетекания и утечки расплава в комплекте используются прокладки и уплотнения.
Каждое рабочее место формовочной машины оснащается датчиком давления расплава перед фильерным комплектом. При достижении значительного перепада давления фильерный комплект требует замены.
Основными компонентами современного фильерного комплекта являются корпус распределительная пластина фильтрующая система решетка фильера.
От конструкции фильерного комплекта и фильеры в значительной степени зависит качество формуемых нитей надежность работы узла формования и всей машины в целом.
Фильтры служат для разделения общего точно дозированного потока раствора или расплава полимера на несколько отдельных струек и придания поперечным сечениям этих струек определенной геометрической формы.
Разделение общего потока обеспечивается одновременным продавливанием раствора или расплава полимера через отверстия расположенные в фильере в соответствии с гидравлическим сопротивлением этих отверстий.
3. Конструкции и типы фильер
Конструкции и точность изготовления фильер влияют на структуру физико-механические свойства нитей и устойчивость процесса формования.
К конструкции фильер предъявляют такие основные требования:
- размеры форма и расположение отверстий в фильере должны обеспечивать устойчивость процесса формования нитей с заданными физико-механическими свойствами;
- фильеры должны обладать достаточной механической прочностью; материал фильер должен быть стойким к агрессивному и высокотемпературному воздействию расплава;
- конструкция фильер должна обеспечивать сведение до минимума зон застоя расплава.
Конструкции фильер в первую очередь определяются величиной рабочего давления в ФК. При формовании расплавов полимеров имеющих вязкость в сотни Пас рабочие давления достигают 100-500 МПа поэтому фильеры выполняются как правило в виде плоских пластин круглой овальной или прямоугольной формы толщиной 10-20 мм и более. Фильеры должны обладать достаточной механической прочностью чтобы донышко фильеры и форма отверстий не деформировались в процессе длительной эксплуатации.
Фильеры подвергаются в процессе эксплуатации постоянному нагреву. Они должны выдерживать жесткий процесс последующей очистки при еще более высокой температуре и противостоять коррозии поэтому современные фильеры изготавливают из высококачественной легированной нержавеющей жаропрочной стали с высокой коррозионной стойкостью используется и специальная обработка (нанесение верхнего слоя придание твердости и т.д.).
Основными параметрами фильер являются: габаритные размеры; размеры и форма капилляра; шероховатость зеркала (рабочей поверхности) фильеры и внутренней поверхности капилляра; количество отверстий.
Количество диаметр и форма отверстий в фильере зависят от ассортимента волокна (нити). Для получения мононитей используют фильеры с одним отверстием. Массовые ассортименты волокон и нитей производят на фильерах с капиллярами круглого поперечного сечения. Наряду с круглыми отверстиями используются и отверстия сложной формы для получения профилированных волокон и нитей. Особые фильеры используются для формования бикомпонентных волокон и нитей.
Диаметры отверстий фильер (мм) в зависимости от ассортимента производимой продукции имеют следующие значения:
текстильные нити - 020-030;
технические нити - 023-048;
ковровые нити - 025-080;
На рисунке 2 представлены наиболее типичные продольные профили отверстий фильер для формования волокон и нитей.
Рисунок 2 – Различные формы формующих капилляров фильер
В различных формах формующих капилляров фильер (рис. 2 а-в) круглого сечения заходный конус 1 выполняется для того чтобы увеличить площадь активной поверхности фильтрующей сетки лежащей на фильере. Направляющее отверстие 2 служит для подвода расплава к капиллярам 4. Диаметр таких отверстий обычно составляет 16 25 или 30 мм. Отношение длины направляющего отверстия к его диаметру находится в пределах 2-10.
Направляющие отверстия соединяются с капилляром 4 переходным конусом 3 иногда двумя усеченными конусами. Для профильных капилляров направляющее отверстие делают без переходного конуса (рис. 2 б). Переходный конус служит для снижения величины входового эффекта до уровня обеспечивающего устойчивое формование нити путем рассредоточения поглощаемой расплавом энергии входа.
В оптимальном профиле (рис. 2 в) заходная зона 1 выполняется в виде гиперболоида. Считается что так обеспечиваются наиболее благоприятные гидродинамические условия исключается возникновение вихревых потоков которые могут дестабилизировать процесс формования. Достоинства этих фильер особенно отчетливо проявляются при высокоскоростном формовании. Чем больше молекулярная масса перерабатываемого полимера и больше объемный расход расплава через формующее отверстие тем большее значение приобретает правильный выбор формы переходного конуса. При обычных условиях формования переходной конус изготавливается с углами конусности от 45 до 120°.
Фильеры для формования нитей из расплавов (рис. 3) представляют собой плоские пластины круглой прямоугольной овальной и сегментной формы. Толщина фильер 5-25 мм. Круглые фильеры изготовляют пяти исполнений: гладкие с кольцевой проточкой с наружной и внутренней проточкой с отверстиями для фиксации сегментные – семи исполнений в зависимости от расположения отверстий на плоскости фильеры прямоугольные – только в одном.
Диаметр каждой фильеры составляет не более 30 мм. Диаметр отверстий фильер определяет линейную плотность вырабатываемой нити и зависит от метода формования. При формовании из расплава применяют фильеры с диаметром отверстий 08-12 мм.
Рисунок 3 – Фильера круглая:
гладкая – исполнение I (а) с круглыми или профилированными капиллярами (б) с кольцевой проточкой – исполнение II (в) с внутренней и наружной проточками – исполнение III (г)
Основные размеры одного из видов профилированного капилляра указаны на рисунке 4. Капилляры и направляющие пазы для них в фильерах с проточками и отверстиями для фиксации при установке в фильерной головке расположены по концентрическим окружностям.
Рисунок 4 – Профилированный капилляр
Сегментные фильеры изготовляют в семи исполнениях в зависимости от расположения отверстий в фильерной пластине (рис. 5 6). Фильера исполнения II
Рисунок 5 – Фильера сегментная (исполнение I)
Рисунок 6 – Фильера сегментная (исполнение VII)
имеет два капилляра направляющие отверстия которых расположены в одном вертикальном пазу. В фильерах исполнений III IV и VI направляющие пазы (углубления) расположены параллельно оси симметрии пластины а в фильере исполнения V - перпендикулярно. На рисунке 6 показана сегментная фильера исполнения VII а на рисунке 7 - прямоугольная фильера.
Рисунок 7 – Фильера прямоугольная
Неточность изготовления фильер приводит к понижению качества элементарных нитей сокращению сроков службы фильер повышению засоряемое растеканию полимера по поверхности фильеры и другим отрицательным явлениям. Так отклонение по диаметру на 1 % у фильер с диаметром отверстий 025 мм и длиной капилляра 075 мм приводит к отклонению линейной плотности элементарной нити на 4 %.
При выборе диаметра отверстия решающее значение имеет величина фильерной вытяжки (В %) под которой понимают деформацию струи вследствие разности скоростей истечения раствора или расплава через отверстия фильеры и приема сформованной нити:
где - скорость движения формуемой нити на первом вытяжном диске (механизме) формовочной машины мс; - скорость истечения струек формовочного расплава из отверстий фильеры мс.
где Q – объемный расход формовочного расплава (подача дозировочного насоса) м3с; d – диаметр одного отверстия м; m – число отверстий в фильере.
Объемный расход можно рассчитать по формуле Пуазейля:
где Р – давление расплава над фильерой Па; r – радиус отверстия в фильере м;
- динамическая вязкость расплава Пас.
Уравнение Пуазейля справедливо для ньютоновских жидкостей при постоянных температурах и вязкости в канале и при равенстве нулю скорости движения жидкости в пристеночном слое канала. Эти условия не всегда точно выполняются формовочными растворами и расплавами поэтому объемный расход определенный с помощью уравнения Пуазейля не всегда достаточно точно соответствует действительному.
Формование нитей может проводиться с отрицательной нулевой и положительной фильерной вытяжкой. Формование с отрицательной фильерной вытяжкой означает превышение скорости истечения струек раствора над скоростью движения формующейся нити.
Минимальная толщина фильеры определяется механической прочностью материала из которого выполнена фильера. Донышко фильеры должно выдерживать перепад давления между внутренней плоскостью фильеры и внешним давлением.
Для получения физически модифицированных нитей применяют фильеры с более сложной конфигурацией формующих отверстий. Изделия из физически модифицированных нитей и волокон отличаются лучшей стабильностью форм высокой адсорбционной способностью повышенными теплозащитными свойствами пушистостью мягкостью воздухопроницаемостью меньшей массой 1 м2 изделий что дает экономию сырья до 40 %.
В настоящее время наибольшее распространение получили нити с такими формами поперечного сечения: треугольные звездочки с пятью и десятью лучами и др.
Выбор сложного профиля отверстий носит в основном эмпирический характер. Использование того или иного профиля определяется особенностями свойств расплава и получаемой нити.
Большое влияние на процесс формования и качество получаемых нитей оказывают порядок размещения отверстий по донышку фильеры и расстояние между соседними отверстиями. Эти параметры зависят от метода и условий формования.
Для получения элементарных нитей постоянного диаметра по длине а также между отдельными элементарными нитями необходимо создать идентичные условия отвердения для всех элементарных нитей в пучке. С увеличением числа отверстий в фильерах данная задача осложняется.
При использовании круглой фильеры перспективным является расположение отверстий по периферии с обдувкой элементарных нитей от центра фильеры.
На свойства получаемых нитей большое влияние оказывает качество изготовления фильер: не допускается наличие заусенцев в отверстиях а также вмятин и царапин на фильере; наружная поверхность фильеры должна быть тщательно отполирована.
Заусенцы вмятины царапины ускоряют такие процессы как засорение отверстий образование разного рода загрязнений на выходе из капилляра фильеры растекание раствора или расплава по поверхности фильеры.
При полном засорении одного или нескольких отверстий фильеры число элементарных нитей в комплексной нити уменьшается а толщина их увеличивается так как дозирующий насос непрерывно подает определенное количество раствора или расплава что приводит к изменению свойств получаемых нитей. Если же отверстия фильеры закупориваются не полностью то это тоже ведет к ухудшению качества так как нити выходящие из полузасоренных отверстий тоньше остальных.
Засорение фильер вызывает быстрый износ других деталей машин (фильтр-пальцев червяков дозировочных насосов) потому что при этом возрастает давление всей системе подачи формовочного раствора или расплава.
Образование различного рода загрязнений на выходе из капилляров вызывает утонение элементарных нитей а следовательно значительно снижает равномерность и прочность комплексной нити в целом.
Фильеры для формования нитей из расплава изготовляют из: высоколегированных нержавеющих жаропрочных сталей.
Растекание раствора или расплава по поверхности фильеры приводит к обрыву нити и необходимости зачистки поверхности фильеры.
В настоящее время работы по усовершенствованию конструкций фильер ведутся по следующим направлениям:
- выбор материала обеспечивающего хорошую обрабатываемость и высокие эксплуатационные свойства фильер;
- разработка более совершенной технологии изготовления формующих отверстий фильер особенно для фильер с профильными отверстиями для производства модифицированных нитей;
- создание прибора для эффективного контроля геометрических размеров чистоты поверхности и пропускной способности капилляров;
- определение оптимальных соотношений геометрических размеров капилляров фильер обеспечивающих минимальную неравномерность линейной плотности элементарных нитей и устойчивость процесса формования.
Условное обозначение круглой фильеры содержит тип фильеры номер исполнения диаметр фильеры число капилляров и диаметр капилляра (например ). Условное обозначение сегментной фильеры содержит тип фильеры номер исполнения число капилляров и диаметр капилляра (например ). Прямоугольные фильеры обозначают учитывая тип фильеры число капилляров и диаметр капилляра (например ).
Определение основных параметров круглой фильерной пластины
Исходными данными для определения конструктивных размеров фильеры являются: линейная плотность и вид нити; линейная плотность элементарной нити; кратность вытягивания (или диаметр капилляра и число капилляров) а также давление расплава.
dЭ = 035 мм; nЭ = 18; Р = 45 МПа; материал фильеры – сталь 1X21Н5Т характеризующаяся следующими свойствами: МПа; ; МПа.
2. Определение конструктивных размеров круглой фильеры
Число k капилляров одной фильеры зависит от линейных плотностей комплексной Т и элементарной Tэ нитей:
Диаметр d капилляра (рис. 3 б) определяют в зависимости от кратности вытягивания и диаметра dэ элементарной нити. С учетом равенства масс отрезков нити до и после вытягивания:
где - диаметр элементарной нити мм; - плотность расплава кгм3.
Диаметр одного капилляра согласно заданию равен мм.
У фильер для расплавов заходное отверстие имеет форму круглого цилиндра. Диаметр этого отверстия D0 берут примерно в 10 раз больше диаметра капилляра т. е. D0 > 10 d но не менее 12 мм. Тогда D0 = 10 035 = 35 4 мм.
Шаг t между осями соседних капилляров в любом направлении колеблется от 4 до 15 мм. Нижний предел обусловлен тем что при меньшем значении шага чаще происходит слипание соседних струек и спутывание элементарных нитей. Наиболее часто изготавливают фильеры с t = 510мм.
Наружный диаметр D (см.рис. 3) круглых фильерных пластин зависит от числа капилляров и шага между ними. При большом числе капилляров их следует располагать таким образом чтобы все элементарные нити находились в одинаковых условиях при движении в охлаждающих шахтах. Наилучшие условия для охлаждения нитей создаются при расположении капилляров на одной окружности. Диаметр этой окружности определяется по формуле:
Капилляры можно располагать на двух и более концентрических окружностях удаленных по радиусу на величину шага t. Обычно на одиночной окружности располагают не более 25 капилляров на двух концентричных окружностях - не более 100. Расстояние от внешней окружности на которой расположены капилляры до края фильерной пластины можно брать в пределах 1020 мм из которых 510 мм предназначены для защемления пластины по контуру зажимными устройствами. Крайние капилляры должны находиться на расстоянии не менее шага t от внутренних стенок зажимных устройств.
Примем = 16 мм из них 8 мм для защемления пластины по контуру зажимными устройствами.
Наружный диаметр фильерной пластины можно вычислить из соотношения:
D= 40 + 216 = 72 мм.
Толщину фильерной пластины определяют по формуле:
где r = (D1 + )2 – радиус контура заделки пластины; р – давление расплава;
- допускаемое напряжение на растяжение материала пластины.
r = (40 + 16)2 = 28 мм;
Длину капилляра h (см. рис. 3 б) берут от 13 до 1100 от общей толщины Н фильерной пластины но не менее (12) d.
h = Н3 = 53 = 17 2 мм.
Программа расчета параметров круглой фильеры для производства капроновой нити представлена ниже.
3. Программа для определения конструктивных размеров круглой фильеры в MATLAB
>> H=sqrt(3*psigma)*r2
Список использованной литературы
Компьютерный инжиниринг машин для производства химических волокон [Электронный ресурс]: методические указания СПГУТД ; сост. И. М. Беспалова. – СПб.: СПГУТД 2017. – 17 с. – Режим доступа:
Коротеева Л. И. Технологическое оборудование заводов химических нитей и волокон Л. И. Коротеева О.Н. Озерский А.П. Яскин. – М.: Легпромбытиздат 1987. – 400 с.

Круглая фильера.cdw